MSVC编译器对展开次数超2的指针比较循环生成低效代码咨询

当循环展开次数超过2次且以指针比较作为退出条件时，MSVC编译器会生成低效代码：在循环中插入冗余指令，先在循环前修改指针，再在循环内通过LEA指令恢复指针值用于比较。

示例1：x86（32位）MSVC编译（参数-O2 -arch:IA32） #

C代码 #

void proc(unsigned *a, unsigned *stop)
{
  do {
    a[0]++;
    a[1]++;
    a[2]++;
    a[3]++;
    a += 4;
  }
  while (a != stop);
}

生成的汇编代码 #

void proc(unsigned int *,unsigned int *) PROC                             ; proc, COMDAT
        mov     eax, DWORD PTR _a$[esp-4]
        mov     edx, DWORD PTR _stop$[esp-4]
        add     eax, 8
        npad    5
$LL4@proc:
        inc     DWORD PTR [eax-8]
        lea     eax, DWORD PTR [eax+16]
        inc     DWORD PTR [eax-20]
        lea     ecx, DWORD PTR [eax-8]
        inc     DWORD PTR [eax-16]
        inc     DWORD PTR [eax-12]
        cmp     ecx, edx
        jne     SHORT $LL4@proc
        ret     0

问题范围与对比 #

该问题同样存在于AVX、SSE等其他类型循环中。使用计数器的代码在MSVC下效率更高，但其他编译器可针对此类指针比较循环生成最优代码；仅当展开次数为1或2次时，MSVC生成的代码才是最优的：

展开2次的C代码 #

void proc(unsigned *a, unsigned *stop)
{
  do {
    a[0]++;
    a[1]++;
    a += 2;
  }
  while (a != stop);
}

生成的汇编代码 #

_a$ = 8                                       ; size = 4
_stop$ = 12                                   ; size = 4
_proc   PROC                                      ; COMDAT
        mov     ecx, DWORD PTR _stop$[esp-4]
        mov     eax, DWORD PTR _a$[esp-4]
$LL4@proc:
        inc     DWORD PTR [eax]
        inc     DWORD PTR [eax+4]
        add     eax, 8
        cmp     eax, ecx
        jne     SHORT $LL4@proc
        ret     0
_proc   ENDP

ALU资源压力更大的示例 #

C代码 #

unsigned Sum(unsigned *a, unsigned *stop)
{
  unsigned sum = 0;    
  do {
    sum += a[0] + a[1] + a[2] + a[3];
    a += 4;
  }
  while (a != stop);
  return sum;
}

生成的汇编代码 #

mov     ecx, DWORD PTR _a$[esp-4]
        xor     eax, eax
        push    esi
        mov     esi, DWORD PTR _stop$[esp]
        add     ecx, 8
        npad    2
$LL4@Sum:
        mov     edx, DWORD PTR [ecx-8]
        lea     ecx, DWORD PTR [ecx+16]
        add     edx, DWORD PTR [ecx-20]
        add     edx, DWORD PTR [ecx-12]
        add     edx, DWORD PTR [ecx-16]
        add     eax, edx
        lea     edx, DWORD PTR [ecx-8]
        cmp     edx, esi
        jne     SHORT $LL4@Sum
        pop     esi
        ret     0

临时解决方法 #

在单次循环迭代中多次更新指针，此时MSVC会生成无冗余LEA指令的精简代码，性能表现良好。建议最优指针步长为2，因为ARM64平台下MSVC在pointer_step==2时会使用ldp/stp指令，而步长为1时不会：

修改后的C代码 #

void proc(unsigned *a, unsigned *stop)
{
  do {
    a[0]++;
    a[1]++;
    a += 2;
    a[0]++;
    a[1]++;
    a += 2;
  }
  while (a != stop);
}

生成的汇编代码 #

; proc, COMDAT
        mov     ecx, DWORD PTR _stop$[esp-4]
        mov     eax, DWORD PTR _a$[esp-4]
$LL4@proc:
        inc     DWORD PTR [eax]
        inc     DWORD PTR [eax+4]
        inc     DWORD PTR [eax+8]
        inc     DWORD PTR [eax+12]
        add     eax, 16                             ; 00000010H
        cmp     eax, ecx
        jne     SHORT $LL4@proc
        ret     0

问题咨询 #

该编译器异常行为的原因是什么？是否有修复方案？

内容的提问来源于Stack Exchange，提问作者Igor Pavlov